Лабораторный БП на основе Простого и доступного БП
В этой статье я хотел бы рассказать о своем лабораторном БП, за основу которого была взята схема «Простой и доступный БП». Вариантов этого устройства довольно много, авторы постоянно что-то добавляют, вносят изменения, на тот момент, когда я начал собирать, последней версией была v 13. Однако я немного изменил схему, в свою пользу, т.к. планировал использовать БП на большие токи и хотел добавить схему переключения обмоток трансформатора. Вот схема оригинал:
В своем варианте я убрал «Индикатор перегрузки» на DA 1.3 и «Схему измерителя тока» на DA 1.4 и т.к. теперь два ОУ освободились, я решил на них же собрать «Схему переключения обмоток трансформатора», но об этом позже. Из-за этого была изменена схема стабилизации +12В для микросхемы ОУ, был использован отдельный источник питания со стабилизатором 7812. Также добавил силовых транзисторов, вместо одного 2N3055 я поставил пару 2SC5200. Максимальный отдаваемый ток теперь 5,6А. Вот мой вариант схемы:
В итоге мой вариант регулирует напряжение от 0 до 25В и может ограничивать максимальный ток на уровне от 0,01А до 5,6А. Для окончательной настройки схемы нужно установить максимальное напряжение резистором R13 и подобрать резисторы R14 и R16 для макс. и мин. тока соответственно.
Управление обмотками трансформатора
Бывают такие случаи,что нужно подключить к ЛБП какую-то низковольтную нагрузку, но с довольно большим током, например 5В при токе 5А. Тогда получается, что на силовых транзисторах будет падать несколько десятков вольт. К примеру после диодного моста и конденсатора в фильтре у нас 30В, а на выходе ЛБП всего 5В, значит на транзисторе будет падать 25В, и это при токе в 5А, получается, что бедный транзистор как-то должен превратить 125Вт просто в тепло. Одному мощному транзистору это не под силу, просто напросто произойдет тепловой пробой и он выйдет из строя, да и двум тяжко будет. На этой случай придумана схема, которая переключает обмотки трансформатора в зависимости от выходного напряжения ЛБП. К примеру, если нужно 5В, то зачем подавать на ЛБП 30В?
Ниже изображена схема переключения обмоток:
У меня же сам ЛБП и «схема переключения» собраны на одной плате. Переключение обмоток происходит при напряжениях на выходе 12В и 18В. Настройка схемы сводится к установке нужных напряжений переменными резисторами. Резистором R2 устанавливается деление выходного напряжения на 10, т.е. если на выходе ЛБП 25В, то на среднем выводе R2 (ползунке) должно быть 2,5В. Далее устанавливаем пороги срабатывания реле. Например у меня при 12В срабатывает первое реле, значит на 2 ножке микросхемы нужно установить 1,2В, соответственно при 18В на 6 ножке устанавливаем 1,8В. Позже можно будет заменить переменные резисторы R3 и R5 на два постоянных, спаяв их как делитель напряжения.
Охлаждение
В качестве радиаторов были собраны экспериментальные варианты из алюминиевых карнизов для штор, профили прикручиваются винтами к алюминиевой пластине ( признаюсь, хотелось бы потолще) и естественно промазываются термопастой. Эффективность таких радиаторов довольна неплохая. В верхней крышке корпуса есть отверстия для охлаждения.
Ампервольтметры
В качестве измерителя напряжения и тока была использована довольно известная схема на специализированной мс ICL7107. Я собирал по этой схеме:
Отдельное питание
Для питания индикации и микросхем LM324 в ЛБП используется отдельный трансформатор и стабилизаторы +5В и +12В.
О корпусе
Основой для корпуса стал кусок стеклотекстолита, толщиной около 6-7 мм. На нем все и собиралось, далее были прикручены передняя панель со всеми органами управления и индикацией и задняя с вентиляторами и сетевым разьемом. И сверху П–образная крышка, обклеенная синей самоклейкой.
Трансформаторы я использовал ТН 60. У них довольно мощные обмотки по 6,3В. Ток до 7А. По весу данный аппарат получился около 10кг.
Диодные мосты серии КВРС, 35-амперные, также посаженые на общий радиатор с силовыми транзисторами.
Принцип действия ОУ
Подаем на усилитель через входы, обозначенные здесь символом We (+) так называемый неинвертирующий вход и / или We (-) так называемый инвертирующий вход некоторый сигнал. У него может быть даже очень небольшое напряжение. Разница входного напряжения называется дифференциальным напряжением.
Этот усилитель является своего рода компаратором — он будет сравнивать оба сигнала друг с другом и вести себя по-разному в зависимости от того, какой сигнал будет сильнее:
We (+) > We (-) => Wy ~ Uпит — Uwo
Если подадим более высокое напряжение на неинвертирующий вход We (+), чем на инвертирующий вход We (-), выход будет близок к напряжению Uпит, подаваемому на усилитель, за вычетом падения напряжения на усилителе Uwo.
We (+) < We (-) => Wy ~ 0 В
Если подадим более низкое напряжение на вход неинвертирующего We (+), чем на вход инвертирующего We (-) контакта, выход будет близок к нулю.
We (+) = We (-) => Wy ~ 0 В
Если подадим один и тот же сигнал на оба входа (называемый в данном случае недифференциальным сигналом), выходное напряжение будет близко к нулю.
Операционный усилитель, с которым будем проводить тесты, имеет обозначение LM358 (это наверное самая распространённая микросхема ОУ). Согласно информации из документации, это двойной усилитель напряжения (то есть два усилителя в одном корпусе), поэтому он имеет восемь контактов:
Слева операционный усилитель LM358; Справа схема его контактов
Вывод 8 (напряжение питания) и вывод 4 (масса) являются общими для обоих усилителей. Остальные ножки раздельные:
- первый усилитель состоит из ножек: 3 (We (+)), 2 (We (-)), 1 (выход).
- второй усилитель состоит из ножек: 5 (We (+)), 6 (We (-)), 7 (выход)
Если присмотритесь, то заметите небольшое углубление на одной стороне корпуса. На схеме в примечании вместо углубления рядом с цифрой 1 есть черная точка. Это стандартный способ маркировки передней части микросхемы. Ножки всегда нумеруются последовательно, начиная с выемки (или точки) против часовой стрелки.
Операционный усилитель LM358 с маркировкой ключа
Проверим как это выглядит на практике — соберем макетную плату. Напряжение питания 6 В. Для желто-зеленого светодиода выбран резистор 220 Ом. Потенциометр P1 на 10 кОм.
Внимание! Перед подключением блока питания к схеме на плате убедитесь, что операционный усилитель подключен правильно, иначе можете его повредить.
Вариант 1. Резистор R1 и светодиод D1 (желтый) подключены между плюсом блока питания и выходом операционного усилителя; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) также подключен к плюсу питания.
Схема из источника питания B1, операционного усилителя LM358, резистора R1, потенциометра P1 и диода D1
Напряжение на входе We (+) (вывод 3) выше напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) получаем напряжение близкое к напряжению питания, минус падение напряжения на усилителе. Разность потенциалов между источником питания B1 и выходом операционного усилителя будет слишком низкой для питания светодиода, поэтому он останется выключенным.
Вариант 2. Резистор R1 и светодиод R1 (в моем случае желтый) подключены между «плюсом» блока питания и выходом операционного усилителя; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) подключен к земле.
Напряжение на входе We (+) (вывод 3) ниже напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому выход усилителя (вывод 1) будет близок к 0 В. Разности потенциалов между источником питания B1 и выходом операционного усилителя будет достаточно для питания светодиода, поэтому он будет светиться.
Вариант 3. Резистор R1 и светодиод D1 (теперь зеленый) подключены между выходом операционного усилителя и землей; неинвертирующий вход We (+) (третий выходной контакт усилителя) подключен к «плюсу» источника питания.
Напряжение на входе We (+) (вывод 3) выше напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) получаем напряжение, близкое к напряжению питания минус падение напряжения на усилителе. Разности потенциалов между выходом операционного усилителя и землей будет достаточно для питания светодиода, поэтому он будет светиться.
Вариант 4. Резистор R1 и светодиод D1 (зеленый) подключены между выходом операционного усилителя и массой; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) подключен к земле.
Напряжение на входе We (+) (вывод 3) ниже напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому выход усилителя (вывод 1) будет близок к 0 В. Никакая разность потенциалов между выходом операционного усилителя и землей не предотвратит включение светодиода, поэтому он останется выключенным.
Собраны результаты опытов в таблице ниже:
Результаты проведенного эксперимента — влияние подключения We (+) — третьей ножки усилителя и свечения светодиода
Верна ли приведенная выше схема для всех операционных усилителей? Нет. Возьмем, к примеру, еще один, очень похожий операционный усилитель LM393. Он может проводить электричество только от точки в цепи с более высоким потенциалом (аналогично линиям 1 и 2 в таблице). Он не проводит ток от выхода усилителя к точке в цепи с более низким потенциалом напряжения, например к земле (позиции 3 и 4 в таблице). Другими словами, если бы мы использовали усилитель LM393 для эксперимента который только что проводили, зеленый светодиод не светился бы независимо от входных сигналов. Почему это происходит? Здесь более подробно рассмотрим внутреннюю структуру обоих усилителей:
Схема внутреннего устройства операционных усилителей: а) LM358; б) LM393
Схема слева (a) показывает внутреннюю структуру усилителя LM358, а схема справа (b) — LM393. Обе схемы сложны, поэтому не будем вдаваться в подробности. Сосредоточимся только на транзисторах, размещенных перед выходом (помечены как OUT или OUTPUT). В LM358 прямо перед выходом есть два транзистора, которые проводят электричество в разных направлениях (пометили их красным кружком). LM393 имеет только один транзистор непосредственно перед выходом (также в красном кружке), который предотвращает прохождение тока от усилителя через выход к земле (или к части схемы с более низким потенциалом).
Операционный усилитель адаптирован для работы с внешней цепью отрицательной обратной связи. Дело в том, что часть выходного сигнала может подаваться обратно на вход или наоборот со входа на выход усилителя. Может быть несколько конфигураций с использованием операционного усилителя и усилителя обратной связи (например, суммирующий, вычитающий, интегрирующий и дифференцирующий усилитель), но тут рассмотрим только две из самых простых и наиболее популярных из них — неинвертирующий и инвертирующий.
Простой и доступный блок питания 0..50В
Хотелось бы представить вниманию читателя замечательную схему лабораторного блока питания (ЛБП) с регулировкой стабилизированного напряжения 0..50В и регулировкой тока до 1,5А.
Разработка простого и доступного блока питания (ПиДБП 0…50В) велась на форуме сайта «Паяльник» по инициативе пользователя с именем Olegrmz. На момент написания этой статьи, на форуме ветка насчитывала около 500 страниц обсуждения данной схемы и примерно 18 её вариантов. Все варианты рабочие со своими особенностями. Наиболее стабильная и популярная версия простого и доступного блока питания – это версия v16y2. Именно ее я хочу представить вниманию читателя.
Преимуществом схемного решения ПиДБП в отличие от общепринятых схем на операционных усилителях (ОУ) является то, что выходное напряжение может достигать 50В, а не ограничиваться напряжением питания ОУ (32В), как в подавляющем большинстве схем ЛБП.
Стабильность устройства и его повторяемость просто замечательные. Поэтому, я рекомендую читателю собрать этот простой и доступный лабораторный блок питания для своей домашней мастерской.
Схема простого и доступного БП 0…50В (версия v16y2)
Схема состоит из следующих узлов: выпрямитель с фильтром, стабилизатор напряжения +12В, стабилизация напряжения, стабилизация тока, индикация, регулирующий узел и защита от перегрева.
Выпрямитель состоит из понижающего трансформатора TV1, диодного моста VDS1 и фильтра C1.
Стабилизатор напряжения +12В выполнен на основе микросхемы VD1 и на транзисторе VT1. Стабилизированным напряжением +12В питается операционный усилитель DA1. Также это значение используется, как источник опорного напряжения в узлах регулировки.
Регулирующий узел состоит из двух транзисторов VT2 и VT4, включенных по схеме составного транзистора для увеличения коэффициента усиления. VT4 является самым нагруженным элементом. На нем рассеивается большое количество тепла, пропорциональное разности между входным и выходным напряжением при протекании через него тока нагрузки. Транзисторами VT2 и VT4 управляет VT3.
Неинвертирующий усилитель
Графический символ неинвертирующего усилителя
Напряжение, подаваемое на вход We (+) выше, чем подаваемое на We (-), поэтому выходной сигнал большой, потому что он близок к напряжению питания Uпит, за вычетом падения напряжения на усилителе Uwo (We (+) > We (-) => Wy ~ Uпит — Uwo). Часть выходного сигнала возвращается через резистор на вход We (-), таким образом этот сигнал становится больше, чем напряжение на We (+), и напряжение на выходе становится близким к 0 В (We (+) < We (-)) => Wy ~ 0 В). Вследствие падения напряжения на выходе (и отсутствия на нем усиления сигнала на We (-)) напряжение на We (+) снова будет больше We (-).
На практике быстро устанавливается состояние равновесия при котором выходной сигнал будет постоянным. Его размер легко рассчитать по формуле:
Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]
Предположим, что на вход We (+) поступает напряжение 0,5 В, а на выходе хотим получить в 5 раз больше, то есть 2,5 В. Подставим данные в формулу:
Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]
2,5 В = 0,5 В x [(R1 + R2) / R1]
[(R1 + R2) / R1] = 2,5 В / 0,5 В
[(R1 + R2) / R1] = 5
Отношение суммы сопротивлений резисторов R2 и R1 к R1 должно дать нам 5. Итак, предположим, что сопротивление R2 = 10 кОм и R1 = 2,2 кОм (соотношение их сопротивлений составляет 5,54).
Соберем всё на макетной плате по следующей схеме:
Прежде всего необходимо убедиться, что на вход We (+) подается соответствующее напряжение. Для этого подключите вольтметр между землей и третьей ножкой усилителя, а затем поверните ручку потенциометра до тех пор, пока мультиметр не покажет результат 0,5 В (или как можно более близкий).
Теперь измерьте напряжение на выходе усилителя, то есть между первым контактом и массой. Теоретически должны получить результат близкий к 2,5 В. Между тем, показание вольтметра составляет целых 2,88 В.
Откуда эта разница? Помните, мы не использовали резисторы с коэффициентом 5,54, а не 5. Давайте снова подставим данные (на этот раз реальные) в формулу:
Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]
Uwy = 0,51 В x [(2,16 кОм + 10 кОм) / 2,16 кОм
Uwy = 0,51 В x 5,63
Uwy = 2,87 В
Теоретически и практически получили почти такой же результат — 2,87 В.
Регулируемый блок питания с защитой от перегрузки
При настройке всевозможных радиоэлектронных устройств зачастую бывает, необходим блок питания, в котором реализована функция плавной регулировки, как выходного напряжения, так и значения тока по перегрузке.
Защита блока питания от перегрузки
В большинстве простых блоков, реализована защита блока питания от перегрузки только по превышению максимального тока нагрузки. Подобная электронная защита, главным образом, предназначается для самого блока питания, а не для подключенной к нему нагрузки.
Для надежного функционирования, как блока питания, так и подсоединенного к нему электронного устройства, желательно иметь возможность изменения порога срабатывания защиты по току в больших пределах, причем при срабатывании защиты подключенная нагрузка должна быть обесточена.
Приведенная в данной статье схема является еще одним вариантом лабораторного блока питания, позволяющая производить плавную регулировку всех перечисленных выше параметров.
